Terrestrisches Laserscanning Ein allgemeiner Überblick über Messmethoden und Einsatzmöglichkeiten in der Geomatik Hans-Martin Zogg, ETH Zürich
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Inhalt Terrestrisches Laserscanning Klassifizierung von terrestrischen Laserscannern Messgenauigkeit Workflow - Von der Messung zur Auswertung Aktuelle Beispiele aus Forschung Fazit / Ausblick 3
Terrestrisches Laserscanning Entwicklung im Bereich der Geomatik seit den späten 90er Jahren operative Einsätze seit Beginn 21. Jh. zur Zeit 2. bzw. 3. Generation von terrestrischen Laserscannern Entwicklungen in den letzten Jahren Scan-Geschwindigkeit, Genauigkeit Rechnerleistung Instrumentenaufbau (Grösse, Gewicht, ) Vermehrt tachymetrische Funktionalitäten (Aufstellen über bekannten Punkten, Freie Stationierung, etc.) 4
Terrestrisches Laserscanning Wo liegen die Einsatzmöglichkeiten? klassisch Denkmal- und Kulturgüterschutz Fassaden Fabrikanlagen Facility Management Forensik industrielle Messtechnik Geomatik Deformationsmessungen (z.b. Belastungsversuche) Tunnelbau (Über-/Unterprofil, Setzungsmessungen) Aufnahmen von Sonderbauwerken Quelle: Zoller+Fröhlich Quelle: Zoller+Fröhlich 5
Terrestrisches Laserscanning Messmethode Laserstrahl als Trägerwelle von Laserdiode emittiert an Objekten reflektiert in Empfangseinheit ausgewertet Messelemente Schrägdistanz (berührungslose Distanzmessung) Horizontalrichtungen Vertikalrichtungen Intensität Ergebnis: 3D-Punktwolke 6
Klassifizierung Distanzmessverfahren Pulslaufzeit Phasenvergleichsverfahren Messrate max. Messdistanz bis zu 50 000 Punkte/s bis ca. 6 000 m bis zu 500 000 Punkte/s bis ca. 100 m Genauigkeit Laserstrahldivergenz Winkelauflösung Scanbereich Grösse/Gewicht/Preis 1 bis 60 mm (stark abhängig von Umgebungs-/Objekteigenschaften) individuell, teilweise nicht in den Spezifikationen angegeben sehr individuell abhängig von der Strahlablenkung sehr individuell, hohe Investitionskosten 7
Messgenauigkeit Einflussfaktoren auf die Messgenauigkeit Laserscanner Distanz (Massstab ) Ziel-/Kippachsabweichungen Synchronisation Kalibrierung Temperaturabhängigkeit Messraum Meteo-Einflüsse Hindernisse Messobjekt Grösse Oberfläche Krümmung 8 Messanordnung Standortwahl Distanz zum Messobjekt Anzahl Scans Passpunkte Auswertung Registrierung Modellierung
Messgenauigkeit Messfehler Multipath analog zu GPS: Mehrfachreflexionen des Signals zwischen Sender und Empfänger besonders bei spiegelnden Objekten (Fenster, Metall, ) Mixed -Pixels Laserstrahl wird von mehr als einem Objekt reflektiert Footprint erstreckt sich auf mehrere, räumlich getrennte Objekte Tritt vor allem bei Phasenmesssystemen auf (Mischphase) Punkte liegen vor, zwischen oder hinter den Objekten 9
Messgenauigkeit Messfehler Messrauschen abhängig von Distanz Auftreffwinkel Farbe, Reflektivität des Materials 10
Workflow Aufnahme Registrierung Auswertung Ist vorhandener Laserscanner geeignet für die Aufgabe? Wahl der Standpunkte Wahl der Referenzpunkte Scannen des Objektes mit entsprechender Auflösung (abhängig von Detaillierungsgrad, Laserstrahldivergenz, Auflösung) Scannen der Referenzpunkte mit hoher Auflösung Aufnahme von Bildern mit eingebauter CCD-Kamera 11
Workflow Aufnahme Registrierung Auswertung Registrierungsmöglichkeiten Mittels Referenzpunkten (Targets) Mittels Referenzobjekten (Kugeln, Zylinder, Kegeln, etc.) Überlappende Punktwolken (z.b. Iterative Closest Point) Georeferenzierung 12
Workflow Aufnahme Registrierung Auswertung Aufbereitung der Punktwolke Fehlmessungen eliminieren Filterung der Daten Formprimitive (Kugeln, Ebenen, etc.) Dreiecksvermaschung direkte Weiterverarbeitung Ableitung einzelner Masse Soll-Ist Vergleich Schnittbildung Digitalisierung 13
Aktuelle Beispiele aus Forschung Deformationsmessungen Felsenau-Viadukt Laserscanner: Imager 5006 (Zoller+Fröhlich) Aufnahme von Schachtkammern Laserscanner: ZLS07 (ETH Zürich) 14
Deformationsmessungen Felsenau-Viadukt Problemstellung Verhalten des Viaduktes bei grosser Belastung Laserscanning: Bestimmung der Deformationen ab Fahrbahnmitte bei kritischen Punkten kritische Punkte Durchbiegung 15
Deformationsmessungen Felsenau-Viadukt Resultat 16
Schachtkammern 17
Schachtkammern Aufnahme 18
Schachtkammern Resultate 19
Schachtkammern Resultate 20
Fazit / Ausblick Terrestrisches Laserscanning Laserscanner + 3D-Auswertesoftware Flächenhafte Erfassung von Objekten Laserscanning ersetzt nicht bisherige Messmethoden der Vermessung (Tachymetrie, GPS, Nivellement), sondern ergänzt sie! Momentan noch kein universal einsetzbarer Laserscanner Innovationen im Bereich der Anwendungen sehr gefragt! Entwicklungen im Bereich der Auswertesoftware Terrestrisches Laserscanning auf bestem Weg zur Integration in die Welt der Vermessung 21
22 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit